燈具多色注塑透鏡開裂形成機理及對策

李祥兵，王 坦，劉永清

（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢 430050）

隨著市場需求的不斷變化，人們對汽車造型和外觀的要求越來越高。燈具造型作為汽車外飾件的畫龍點睛之筆，既要外觀美觀，設計精巧，又要能迅速適應社會發(fā)展要求。雙色及多色注塑工藝作為近年來不斷發(fā)展成熟的一種新型塑料成型方法，可以在同一模具上成型出不同顏色，不同材質（如一種硬質塑料和一種軟質塑料）的塑料制品，已經受到各主機廠和消費者的青睞［1-3］。這種工藝方式，其結構原理是用一種模具內組裝或者焊接的嵌件實現(xiàn)塑料成型。其成型原理是將多種不同的塑料在多個料筒內分別塑化，再注入模具型腔，成型出表面具有不同顏色的塑料件。

當前汽車燈具公司對燈具外透鏡采用多色注塑時，由于不同顏色的材料混合后，材料的特性（雖然屬于同一類型的材料）存在差異，導致車燈外透鏡注塑成型后，在兩種顏色的交匯斷面會存在開裂的問題，嚴重影響車燈外觀，也會導致車燈進水等嚴重問題。從國內的相關文獻來看，目前還沒有比較好的解決此類車燈外透鏡開裂的方法。

東風雪鐵龍某款尾燈采用了明白、明紅兩種不同材質的雙色成型技術，由于各方面原因，注塑時紅白材料的交界區(qū)域，在產品裝車階段出現(xiàn)了外透鏡開裂的問題，嚴重影響了產品的外觀品質。本文基于東風雪鐵龍某款尾燈的開發(fā)實例，分析了透鏡開裂產生的機理，并在此基礎上提出了解決措施。

1 雙色注塑的原理和特點

雙色注塑成型原理如圖1所示，其過程可以簡單描述如下。

圖1 雙色注塑成型原理

1）合模：第一色料注射入第一色型腔內，成型為單色制品。

2）開模：動模旋轉180°，為注塑第二色料做好準備。

3）合模：通過第二料筒注射入第二色料，同時對第一色物料包覆或半包覆成型雙色制品。

4）開模：保溫冷卻，頂出雙色制品，動模回轉盤逆時針旋轉180°。

5）a模動模和b模動模再次交換位置合模，進入下一個成型周期。

由于問卷都是針對各外語院系整體課程狀況展開，只有掌握和了解本單位的總體情況，才能填寫好此問卷。因此，問卷由各高校外語院系的負責人，或者是文化課程的負責人填寫。由于目前我國的英語專業(yè)分布在不同類型的高等院校中，受到各院校辦學特點的影響，英語文化課程的設置也不盡相同。為了能夠全面了解不同類型高校英語專業(yè)文化課程建設情況，本研究對5類高等院校進行了分層抽樣：綜合類院校、理工類院校、外語類院校、師范類院校和其他類院校共計40所，涵蓋了985院校、211院校、全國重點和普通院校。

雙色單模注塑和雙色多模注塑是兩種常見的雙色注塑成型工藝［4-5］。其中雙色單模注塑成型是在一臺注塑機上實現(xiàn)的，這種注塑工藝生產效率較高，適合于工業(yè)化的批量生產。雙色多模注塑成型則采用兩副模具實現(xiàn)，在兩臺普通注塑機上分別實現(xiàn)。相對于雙色單模注塑，這種成型過程更復雜，生產效率低，不利于批量生產。

雙色注塑生產工藝特點如下。

1）相對單色注塑，雙色注塑工藝注射熔料溫度和注射壓力更高，主要是因為雙色模具的流道比較長，結構復雜，造成熔料流動阻力較大。

2）雙色模具對原料的要求更高。它需要熱穩(wěn)定性更高、熔體黏度更低的原料，以避免液體在流道內停留時間較長而分解，常用的材料有聚苯乙烯和ABS材料等。

3）雙色注塑工藝需要更高的模具溫度、較高的注射壓力和注射速率，以保證注塑制品的成型品質。

2 雙色注塑零件開裂的形成機理分析

在雙色注塑過程中，由于產品設計等方面的原因，會在紅料和白料的交匯處出現(xiàn)裂紋，甚至開裂，從而導致整車產品外觀出現(xiàn)明顯的瑕疵，甚至出現(xiàn)漏水等品質問題。

2.1 注塑順序的分析

通常而言，雙色注塑的尾燈外透鏡通常有兩種方式來實現(xiàn)：覆蓋式和拼接式（圖2）。覆蓋式注塑通常的實現(xiàn)方式是：先注塑紅料（紅白透鏡）或黑料（黑白透鏡），然后在整個透鏡的表面覆蓋一層白料（包括紅料或黑料部分）。拼接式外透鏡的實現(xiàn)方式是：注塑順序仍然是先注塑紅料，然后注塑白料，但在紅料與白料的交界區(qū)域，采用的是一種拼接的方式來實現(xiàn)。

圖2 覆蓋式和拼接式注塑

圖3 為東風雪鐵龍某款尾燈的注塑實例，在紅白區(qū)域的交匯處，采用拼接的方式來實現(xiàn)。

圖3 東風雪鐵龍某款尾燈紅白雙料注塑中的開裂缺陷

通過拼接方式注塑形成的外透鏡，會導致尾燈在拼接區(qū)域受力不足，在較大的外力作用下，會形成開裂問題。

2.2 拼接式注塑方式的開裂問題分析

針對圖3和圖4中外觀“開裂”的缺陷，因在紅白料交接區(qū)域采用拼接式的設計方式而導致如下問題。

圖4 紅白交界開裂區(qū)域斷面

1）如圖5所示，在階梯狀斷面區(qū)域（a-b-c-d）注塑紅料后各個區(qū)域會發(fā)生收縮，且由于各個區(qū)域的厚度不一，導致收縮的程度不一樣，最終導致a-b-c-d 3個端面都不是絕對的平面，這樣在注塑白料之后，上述幾個斷面區(qū)域就會出現(xiàn)結合不良的問題。

2）從材料本身的屬性來看，雖然所選紅料和白料理論上是相容的材料，但這種相容的特性一般體現(xiàn)在同一物理條件下（溫度、氣壓、濕度）。由于雙色注塑存在先后順序，導致兩種材料相容時的物理條件并不一致。另外，在注塑紅料后，上述a-b-c-d 3個端面（在注塑紅料后）表面相對比較光滑，產品粗糙度較小，也是導致注塑白料后結合力不足的原因。

3）在產品注塑過程中，模具上的油污也是一個不可忽略的因素。在上述拼接式注塑工藝中，當注塑紅料后，如果模具上的油污不小心吸附到上述a-b-c-d的斷面上，就會導致產品無法粘合，直接形成開裂的問題。

4）上述a、b、 c、d區(qū)域，如果采用如圖6所示的直角設計，產品注塑完畢后，會出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。

圖5 拼接式斷面理論分析

圖6 產品應力存在區(qū)域

5）相對于覆蓋式的注塑方式，拼接式的產品結合面積更小，更容易出現(xiàn)結合不良的問題，導致透鏡開裂。

3 雙色注塑透鏡開裂的應對策略

基于以上分析可以看出，車燈外透鏡雙色注塑兩種材料的結合面區(qū)域的優(yōu)化是解決透鏡開裂的重要方向。

1）結合面增加倒角結構。為防止結合面區(qū)域出現(xiàn)應力集中的問題，需要在結合面各個尖角區(qū)域進行倒角處理。

圖7為應對應力集中的各種結合面區(qū)域的設計方案。其中，圖7a除了增加倒角外，黑料另外延伸了0.5mm的臺階，其目的是更大可能的增加兩種材料的結合面積，因而在防止應力集中和開裂方面是最優(yōu)的方案。圖7b通過增加黑料0.5mm壁厚和增加倒角的方式來解決開裂的問題，同時增加了黑料本身的強度，因而也是一種可選的方式。圖7c是我們通常采用的設計方式，但增加了倒角，雖然開裂出現(xiàn)的可能性較小，但比前兩種方式（結合區(qū)域的結合面積以及紅料的強度）要差一些。

圖7 各種推薦措施

2）盡可能保持模具表面干燥和干凈。從前面的分析可以看出，模具表面的油污或其他物質都可能直接吸附到注塑件的注塑端面上，導致產品在注塑過程中結合力下降。為保證模具表面，特別是注塑端面干凈，必須定期對模具進行維護保養(yǎng)，防止漏油、漏水等問題。另外，在產品注塑之前，要加強對注塑首件的檢查，防止不良品連續(xù)出現(xiàn)。

3）控制模具的溫度，保證產品在注塑過程中能充分結合。從上述分析可以看出，模具溫度是產品能否完全結合的重要因素。在射出成型中，射出模具內之熔融材料溫度一般在150～350℃之間，但由于模具的溫度一般在40～120℃之間，所以成型材料所帶來的熱量會逐漸使模具溫度升高。故不管在生產性還是成型品的品質上，模具的溫度控制是有其必要性的。

一般模具通常以常溫的水來冷卻，其溫度控制水的流量調節(jié)，流動性好的低熔點材料通常采用這種方法成型。有時為了縮短成型周期，必須將水再加以冷卻。小型成型品的射出時間、保壓時間都短，成型周期取決于冷卻時間。但用冷水冷卻時，大氣中的水分會凝聚于成型空間表面，造成成型品缺陷，因此，用這種方式冷卻時需要時刻注意。

4）加工精度控制，讓封膠位置存在一定的合模壓力，并且盡量保持均勻。合模力不足會導致模具離縫、發(fā)生溢料，但太大又會使模具變形，并使塑料件產生內應力和不必要的能量消耗。盡管合模系統(tǒng)產生的合模力是一定的，但是由于噴嘴和模具接觸的作用，以及注射時熔料壓力產生的脹模作用，合模力在注塑周期內也是變化的。在實際注塑成型時，由于加工的塑件不同、所用的塑料不同、工藝條件不同、模具的結構形式不同，實際合模力也各不相同。對于一種塑件的成型，如何選擇合模力是十分重要的。

4 結論及展望

本文提出通過優(yōu)化前期結構設計以及相關工藝來解決雙色注塑開裂問題的方法，是一種通過調整模具定義、優(yōu)化模具的實現(xiàn)方法，能基本解決兩種不同顏色熔料之間的分界線不清晰、毛刺以及開裂等問題。通過該方法，得出以下結論。

1）優(yōu)化前期設計數(shù)據(jù)，在兩種材料的交匯區(qū)域增加圓角，除了可以避免應力集中，同時也能很好地消除這條分界線的毛刺等模糊不清的現(xiàn)象。

2）由于目前對數(shù)據(jù)還只能進行溶解痕、澆口、耐熱、配光等方面的分析，故本文中所涉及的開裂問題目前還沒有一款比較實用的軟件來模擬，因此，本文所提出的相關應對策略是在對現(xiàn)有模具進行修改的基礎上進行的。若前期設計時，在對數(shù)據(jù)的模擬過程中能及早預知這個風險，相關維修成本將會降至最低［6］。因此，對早期的數(shù)據(jù)進行全面的分析是完全必要的。

盡管雙色注塑工藝目前還存在一些問題，但其市場前景仍然不可低估。近些年，雙色注塑越來越受到重視，逐漸被應用于多種塑料制品的生產中，具有廣闊的市場前景［7］。而精簡加工操作程序、降低雙色產品的制作成本、優(yōu)化雙色注塑模具等將成為未來研究者的主要任務。